MOOC下的計(jì)算機(jī)軟件課程虛擬實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

李 寧，張 曉，趙曉南，劉海龍，李戰(zhàn)懷

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在線教育目前進(jìn)入了 MOOC（massive open online course）時(shí)代[1]。特別是近年來，以MOOC + SPOC（small private online course）為代表的教學(xué)模式逐漸興起，并被越來越多的大學(xué)接受，該模式通過短視頻網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)、在線互動(dòng)討論等手段，有效解決了學(xué)習(xí)受時(shí)間、空間、師資等方面限制的問題[2]。然而單純的視頻學(xué)習(xí)或在線測(cè)試等僅能有效緩解理論教學(xué)的問題，對(duì)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果幫助有限。實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是高校本科人才培養(yǎng)工作中不可或缺的重要組成部分，關(guān)系著培養(yǎng)人才的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力[3]。因此探索適應(yīng)MOOC環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和教學(xué)模式，不僅對(duì)輔助在線理論課程的教學(xué)有非常重要的意義，同時(shí)，是線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)對(duì)MOOC 沖擊的創(chuàng)新與變革。

1 MOOC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究背景

現(xiàn)有MOOC 課程多以理論課程為主體，90%以上的輟學(xué)行為引起了研究者的廣泛關(guān)注[4-6]。經(jīng)過對(duì)MOOC上的學(xué)生學(xué)習(xí)行為進(jìn)行跟蹤，研究者發(fā)現(xiàn)在MOOC上學(xué)習(xí)文科類課程和計(jì)算機(jī)課程都比較容易，但是對(duì)于物理、生物、工程等學(xué)科，由于有實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的環(huán)節(jié)，若只提供線上理論課程教學(xué)，學(xué)生往往很容易放棄，只有一部分學(xué)習(xí)習(xí)慣非常好的學(xué)生才能夠堅(jiān)持，導(dǎo)致MOOC學(xué)習(xí)者高輟學(xué)率[7]。而且即使學(xué)習(xí)者能夠堅(jiān)持下來，因?yàn)槿狈?shí)驗(yàn)練習(xí)，所以很難收到良好的教學(xué)效果，無法達(dá)到課程的預(yù)期目標(biāo)。

雖然文獻(xiàn)[7]提及計(jì)算機(jī)課程容易學(xué)習(xí)，但實(shí)際上計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)踐性都較強(qiáng)，如計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)核心課（包括程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理及軟件工程等多門課程），每一門課程都需要學(xué)生通過大量的實(shí)驗(yàn)練習(xí)來加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，進(jìn)而完全掌握課程內(nèi)容。因此，提供良好的在線實(shí)驗(yàn)環(huán)境和精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)提升軟件課程MOOC教學(xué)效果的重要性不言而喻。

在目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有部分軟件編程類課程已經(jīng)用OJ（online judge）等在線系統(tǒng)提交程序、自動(dòng)對(duì)比程序結(jié)果等方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)方式的改革，但是仍有很多與實(shí)驗(yàn)環(huán)境緊密相關(guān)，涉及具體操作的實(shí)驗(yàn)多是在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施，在輔導(dǎo)老師現(xiàn)場指導(dǎo)和答疑下，學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)考核。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式常常存在以下幾個(gè)方面的問題。

（1）資源使用效率低。學(xué)生只能在安裝了指定軟件的機(jī)房實(shí)驗(yàn)，課余時(shí)間實(shí)驗(yàn)室資源無法利用。在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)未完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同學(xué)，只能中斷實(shí)驗(yàn)。另一方面，教師在下課后通常無法查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，不能進(jìn)一步指導(dǎo)和動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)任務(wù)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（2）實(shí)驗(yàn)成果和相關(guān)數(shù)據(jù)的可利用性較差。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和行為特點(diǎn)（如操作中常犯的錯(cuò)誤等），難以被有效地收集與積累。這使得教師難以通過統(tǒng)計(jì)分析等對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行持續(xù)的調(diào)整和改善。

（3）維護(hù)和管理成本高。同一臺(tái)PC機(jī)需要反復(fù)安裝不同實(shí)驗(yàn)所需的軟件和操作系統(tǒng)，造成機(jī)器設(shè)備損壞率增高，增加硬件投入和維護(hù)成本。對(duì)于不兼容的軟件需要反復(fù)卸載和重裝。計(jì)算機(jī)設(shè)備更新?lián)Q代快，使用3～5年就需要重新購置新的機(jī)器，否則無法滿足性能要求。

（4）無法保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和可靠性。實(shí)驗(yàn)室由于安全性考慮，大多無法保存?zhèn)€人數(shù)據(jù)，導(dǎo)致教師和學(xué)生的個(gè)人文件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容易丟失，長期使用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)帶來病毒入侵的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上問題，國內(nèi)外學(xué)者積極探索和研究虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。目前已有一些虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的成果，如牛津大學(xué)開發(fā)的化學(xué)學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8]和美國約翰霍普金斯大學(xué)電子科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)[9]等，學(xué)習(xí)者可以通過開放的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問站點(diǎn)進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)。與國外相比，國內(nèi)高校在該領(lǐng)域的研究起步較晚。當(dāng)前，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬化以及融入MOOC環(huán)境還面臨許多困境，亟待發(fā)展。

參考其他虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案與架構(gòu)[3，7，10-11]，通過構(gòu)建一個(gè)適用于MOOC環(huán)境的基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)軟件核心課教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以充分發(fā)揮MOOC與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，提高在線教學(xué)的質(zhì)量。同時(shí)，若將該平臺(tái)推廣到線下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

2 MOOC環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MOOCElab

2.1 整體架構(gòu)

MOOC環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括MOOC系統(tǒng)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、客戶端3部分，整體平臺(tái)構(gòu)架如圖1所示。其中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分包括基于OpenStack云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和已有的其他在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如OJ等在線測(cè)試系統(tǒng)）兩部分。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以在線下教學(xué)中直接使用，也可在MOOC系統(tǒng)中支持MOOC實(shí)驗(yàn)。

圖1 MOOC環(huán)境中的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)MOOCElab

基于OpenStack的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是該系統(tǒng)的核心，主要包括資源管理、存儲(chǔ)管理、用戶管理、安全管理等部分。OpenStack主要通過虛擬化技術(shù)提供用戶自管理和自服務(wù)的虛擬計(jì)算環(huán)境。

2.2 平臺(tái)建設(shè)

1）云計(jì)算平臺(tái)搭建。

由于大部分的實(shí)驗(yàn)需要以個(gè)人或者小組為單位擁有獨(dú)立的一個(gè)或者若干個(gè)虛擬機(jī)，所以該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心是云計(jì)算平臺(tái)。本例中使用開源軟件OpenStack，包含keystone、glance、nova、dashboard、neutron等組件。OpenStack可管理多種虛擬化平臺(tái)，本系統(tǒng)中搭建在CentOS的KVM平臺(tái)上，具體搭建過程參考OpenStack的官方網(wǎng)站。系統(tǒng)由一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)和多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)虛擬機(jī)核數(shù)的不同，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)可提供20～50個(gè)虛擬機(jī)服務(wù)。

2）OpenStack平臺(tái)中創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?/p>

OpenStack平臺(tái)搭建完成之后，利用其中flavor（虛擬機(jī)模板）創(chuàng)建各門軟件核心實(shí)驗(yàn)課程所需的虛擬機(jī)模板，包括操作系統(tǒng)以及相關(guān)的軟件環(huán)境。在具體實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可利用虛擬機(jī)模板創(chuàng)建虛擬機(jī)。這些虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境都已滿足相關(guān)課程需要，可以即開即用。該步結(jié)束后，該系統(tǒng)就可以單獨(dú)運(yùn)行以支持非MOOC模式的虛擬實(shí)驗(yàn)。

3）開源MOOC平臺(tái)搭建。

在虛擬機(jī)或?qū)嶓w機(jī)上搭建開源MOOC平臺(tái)。本方案中使用開源軟件OpenEdx，具體試安裝版本為bitnami-edx-ginkgo.2-6-linux-x64，安裝包下載地址https://bitnami.com/stack/edx/installer。

4）開源MOOC平臺(tái)與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成。

在開源MOOC平臺(tái)上創(chuàng)建不同的MOOC課程。在不同課程中將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如云計(jì)算OpenStack平臺(tái)）鏈接加入課程內(nèi)容中，并進(jìn)行相應(yīng)的用戶管理與授權(quán)，完成開源MOOC平臺(tái)與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的集成。

2.3 平臺(tái)管理

MOOCElab平臺(tái)管理的重點(diǎn)是用戶管理、資源管理、安全管理等。系統(tǒng)擁有3種類型用戶：教師用戶、學(xué)生用戶和管理員用戶。教師用戶是維護(hù)MOOC課程信息的人員，包括課程內(nèi)容發(fā)布、教學(xué)過程推進(jìn)、學(xué)生作業(yè)實(shí)驗(yàn)查看批閱等。學(xué)生用戶選修MOOC課程，完成課程要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，參加在線測(cè)試。管理員用戶管理和配置開源MOOC系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源和安全等。其中MOOC平臺(tái)用戶與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的用戶同步是用戶管理的關(guān)鍵。資源管理主要指由管理員對(duì)支撐虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的物理機(jī)、虛擬機(jī)等設(shè)備資源進(jìn)行管理，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)管理。安全管理主要指根據(jù)用戶和訪問對(duì)象的屬性，設(shè)定不同用戶的權(quán)限。

2.4 使用流程

MOOC課程以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備完畢之后即可以投入使用。該系統(tǒng)的主要使用者是教師和學(xué)習(xí)者。教師使用MOOCElab平臺(tái)的流程如圖2所示。

圖2 教師使用MOOCElab平臺(tái)流程

MOOC學(xué)習(xí)者使用MOOCElab平臺(tái)的流程如圖3所示。

2.5 平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

（1）彌補(bǔ)現(xiàn)有單獨(dú)MOOC平臺(tái)課程學(xué)習(xí)中缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，可以有效提高M(jìn)OOC課程的整體學(xué)習(xí)質(zhì)量。

（2）克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下硬件環(huán)境使用排他性而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限的缺點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)開展多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)習(xí)者也可以隨時(shí)隨地利用該平臺(tái)開展相關(guān)課程的實(shí)踐。

（3）可以方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署、存儲(chǔ)和復(fù)用，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

（4）為教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的有效指導(dǎo)提供可能性，教師可以隨時(shí)、異地利用虛擬環(huán)境指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

（5）可以集中存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)程序、測(cè)試數(shù)據(jù)，為自動(dòng)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等提供數(shù)據(jù)支撐，便于教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行基于教學(xué)大數(shù)據(jù)的分析，推進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

圖3 MOOC學(xué)習(xí)者使用MOOCElab平臺(tái)流程

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 數(shù)據(jù)庫原理實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

我校數(shù)據(jù)庫原理課程的實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)都是在實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)上事先準(zhǔn)備好的操作系統(tǒng)和DBMS環(huán)境下進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)配置為網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，每次計(jì)算機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)都會(huì)重置軟件環(huán)境，無法保存學(xué)生前一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外學(xué)生通常都會(huì)在本人的計(jì)算機(jī)上安裝實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用于在課余時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)課內(nèi)未完成的部分。這使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備上花費(fèi)大量的時(shí)間，也增加了輔導(dǎo)教師的輔導(dǎo)工作量，降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率。

在數(shù)據(jù)庫原理實(shí)驗(yàn)課的探索實(shí)踐中，我們選出部分學(xué)生試用該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)課開始之前，教師團(tuán)隊(duì)首先創(chuàng)建準(zhǔn)備好該課程的虛擬機(jī)模板，其中包括Windows操作系統(tǒng)、DBMS、基礎(chǔ)編程軟件和實(shí)驗(yàn)課所需要的全部支撐資料。學(xué)生只需在首次實(shí)驗(yàn)時(shí)創(chuàng)建個(gè)人賬戶，并利用數(shù)據(jù)庫原理實(shí)驗(yàn)課的虛擬機(jī)模板創(chuàng)建各自的虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)同時(shí)作為本地?cái)?shù)據(jù)庫的服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫訪問的客戶端。學(xué)生的全部實(shí)驗(yàn)都在該虛擬機(jī)環(huán)境下進(jìn)行。由于這些虛擬機(jī)的存續(xù)周期貫穿一個(gè)學(xué)期，學(xué)生在初次申請(qǐng)后無需再做配置，實(shí)驗(yàn)課操作的連續(xù)性得到更好的保證。同時(shí)，學(xué)生也可以在課堂以外的任意空閑時(shí)間，在任意地點(diǎn)登錄虛擬機(jī)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)課進(jìn)展過程中，輔導(dǎo)教師可以通過登錄虛擬機(jī)等方式完成輔導(dǎo)工作，并可以查詢學(xué)生使用虛擬機(jī)時(shí)間的長短和時(shí)間段等統(tǒng)計(jì)信息，更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。經(jīng)過一年的試點(diǎn)應(yīng)用，學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率明顯提高，教學(xué)效果也得到了改善。

3.2 軟件工程實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

留學(xué)生教學(xué)是我校本科教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。由于留學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，動(dòng)手能力不強(qiáng)，漢語水平較低等問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)也面臨著更多問題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是以面向中國學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件全部是中文版本，這使留學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備上需要花費(fèi)更多的時(shí)間。在面向留學(xué)生開設(shè)的軟件工程英文實(shí)驗(yàn)課程中，我們也試用了該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

由于本年度軟件工程實(shí)驗(yàn)課留學(xué)生人數(shù)較少，將其分成兩個(gè)小組展開實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)之前由教師創(chuàng)建面向留學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的全英文版虛擬機(jī)模板，其中包括Windows操作系統(tǒng)、UML工具、基礎(chǔ)編程軟件、DBMS、版本管理工具等。學(xué)生只需在首次實(shí)驗(yàn)時(shí)創(chuàng)建小組賬戶，并利用該課程的英文實(shí)驗(yàn)?zāi)０鍎?chuàng)建各自的虛擬機(jī)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)均在各自小組的虛擬機(jī)上完成。由于每個(gè)小組的虛擬機(jī)也是各組的版本管理服務(wù)器，因此各種設(shè)計(jì)文檔、程序的開發(fā)設(shè)計(jì)過程均得到完整保留。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，該系統(tǒng)可以有效改善留學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于實(shí)驗(yàn)課成果的展示與交流。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐中，我們采用直接在MOOC系統(tǒng)中集成已有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)OJ。由于該OJ系統(tǒng)在我校的教學(xué)中已使用多年，取得了較好的應(yīng)用效果，因此在與MOOC系統(tǒng)中集成時(shí)，僅需要關(guān)注兩部分的用戶信息同步。

4 結(jié) 語

在計(jì)算機(jī)軟件核心課的MOOC或SPOC教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在線教育發(fā)展的趨勢(shì)，也是提高該類課程在線教育質(zhì)量必須考慮的內(nèi)容。將MOOC平臺(tái)與基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有機(jī)融合是實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效方案之一。該方案可支持MOOC學(xué)習(xí)者完成課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，合理共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，降低實(shí)驗(yàn)成本，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)改革。MOOC環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可為MOOC或SPOC等線上教育提供實(shí)驗(yàn)支撐，也可單獨(dú)作為線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的替代方案，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)課程中的問題。我們?cè)谟?jì)算機(jī)軟件專業(yè)的幾門課程教學(xué)中進(jìn)行了初步實(shí)踐，取得的良好教學(xué)效果證明了該平臺(tái)的有效性。